西南石油大学化学化工学院工程设计报告：天然气脱水

西南石油大学化学化工学院工程设计报告：天然气脱水内容摘要：

气露点可达73℃，但能耗高不宜处理含硫天然气硅胶 湿容量高，易破碎 一般不单独使用固体吸附法利用多孔介质表面对不同组分的吸附作用分子筛 高湿容量、高选择性、露点降大于 120℃应用于深度脱水化学反应法 利用与的化学2HO反应可使气体完全脱水，但再生困难 用于水分测定 流程简述水是天然气从采出至消费的各个处理加工步骤中最常见的杂质组分，且其含量经常达到饱和。 冷凝水的局部积累将限制管道中天然气的流率，降低输气量，而且水的存在使输气过程增加了不必要的动力消耗；液相水与 CO2 或 H2S 接触后会产生具有腐蚀性的酸，H 2S 不仅导致常见的电化学腐蚀，它溶于水生成的 HS还会促使阴极放氢加快，HS 阻止原子氢结合为分子氢，从而造成大量原子态氢积聚在钢材表面，导致钢材氢鼓泡、氢脆及硫化合物应力腐蚀开裂（SSC） ；湿天然气中经常遇到的另西南石油大学 化学化工学院 工程设计报告9一个麻烦问题是，其中所含水分和小分子气体及其混合物可在较高的压力和温度高于 0 186。 C 的条件下，形成一种外观类似于冰的固体水合物。 因此，天然气一般都应先经脱水处理，使之达到规定的指标后才能进入输气干线。 我国强制性国家标准规定：在天然气交接点的温度和压力条件下，天然气的水露点应该比最低环境温度低 5 186。 C。 在 CO2 或 H2S 存在的情况下，目前海洋工程设计过程中认为只有当水露点比最低操作温度低 10 186。 C 时介质不具有腐蚀性。 甘醇类化合物具有很强的吸湿性，其水溶液冰点较低，故其被广泛应用于天然气脱水。 最初应用于工业的是二甘醇（DEG） ，上世纪 50 年代后主要采用三甘醇（TEG） ，其热稳定性更好，容易再生，蒸气压更低，且相同质量浓度下 TEG 可达到更大的露点降，而且 TEG 得毒性很微薄，沸点较高，常温下基本不挥发，故使用时不会引起呼吸中毒，与皮肤接触也不会造成伤害。 因此，TEG 脱水方法是天然气工业中应用最普遍的方法。 TEG 脱水装置主要包括两部分：天然气在压力和常温下脱水；富 TEG 溶液在低压和高温下再生（提浓）。 三甘醇脱水工艺流程图所示流程包括了若干优化操作方面的考虑，如以气体 TEG 换热器调节吸收塔顶温度，以分流（或全部）富液换热的方式控制进入闪蒸罐的富液温度，以干气汽提提高贫 TEG 的浓度，以及设置多种过滤器等。 TEG 富液由吸收塔底部流出，经减压后进入重沸器上部的富液精馏柱中的换热盘管加热后，进入闪蒸罐闪蒸，闪蒸气进入燃料系统。 闪蒸后的富液经缓冲罐后与热的贫 TEG 换热，然后进入富液精馏柱，与来自重沸器的蒸汽逆流接触而得到部分提浓。 在重沸器内，富液被加热至约 200 186。 C，除去其中绝大部分水分。 随后，TEG 溶液经贫液精馏柱后进入缓冲罐，与自下而上的气提气逆流接触而进一步提浓。 高温 TEG 贫液在缓冲罐中与 TEG 富液换热后。 经冷却器冷却，再经 TEG 循环泵升压后返回吸收塔上部。 主要工艺设备（1）原料气分离器进入吸收塔的原料气一般都含有固体和液体杂质。 实践证明，即使吸收塔与原料气分离器位置非常近，也应该在二者之间安装入口分离器。 此分离器可以防止新鲜水或盐水、液烃、化学剂或水合物抑制剂以及其他杂质等大量和偶然进入吸收塔中。 即使这些杂质数量很少，也会给吸收和再生系统带来很多问题：①、溶于甘醇溶液中的液烃可降低溶液的脱水能力，并使吸收塔中甘醇溶液起泡。 不溶于甘醇溶液的液烃也会堵塞塔板，并使重沸器表面结焦；②游离水增加了甘醇液循环流率、重沸器热负荷和燃料用量；③携带的盐水（随天然气一起来自地层水）中所含盐类，西南石油大学 化学化工学院 工程设计报告10可使设备和管线产生腐蚀，沉积在重沸器火管表面上还可使火管表面局部过热产生热斑甚至烧穿；④化学剂（例如缓冲剂、酸化压裂液）可使甘醇溶液起泡，并具有腐蚀性。 如果沉积在重沸器火管表面上，也可使其局部过热；⑤固体杂质（例如泥沙、铁砂）可使溶液起泡，使阀门、泵受到侵蚀，并可堵塞塔板或填料。 （2）吸收塔湿天然气气流中含有较高的 CO2，不能使用碳钢。 推荐使用碳钢内衬 316L，不锈钢，依据工艺提供的计算模型依据，确定内衬的最高位置，一般到 1/2 位置，接触塔顶不需要内衬，那里的干气腐蚀性较弱。 （3）天然气/甘醇换热器该换热器一面是贫甘醇，另一侧是脱水气，两种流体的腐蚀性都很弱。 因此，碳钢加 3mm 腐蚀性就满足要求。 （4）回流冷凝器和塔顶管线回流冷凝器和塔顶管线有水或甘醇水溶液冷凝，因此腐蚀严重。 除水蒸气外，塔顶的气流中还含有 CO2，以及被蒸出的甘醇轻度降解产物。 这些物质溶解于冷凝水中，形成腐蚀性溶液。 需要耐腐蚀性金属来控制腐蚀，推荐使用奥氏体不锈钢316L。 而 304L 和 304L 有过失败的事例，不推荐采用 304L 材质。 虽然马氏体材质同样具有良好的抗 CO2腐蚀的性能，但由于马氏体材质的焊接性能较弱，不推荐采用马氏体不锈钢。 （5）TEG 精馏柱考虑到精馏柱中的温度高于 100 186。 C，此时有少量的水蒸气和溶解的气体，有一定的腐蚀性，推荐不使用不锈钢 316L。 （6）TEG 再生塔重沸器内通常只有轻微的腐蚀性，因为大部分水和溶解的气体在闪蒸罐中北蒸发。 但是，如果有固体沉积，在重沸器底部和火管上会产生腐蚀，可采用增加过滤设备的方法解决。 推荐使用碳钢材质 3mm 腐蚀裕量。 （7）闪蒸罐预热后的富甘醇将被闪蒸以去除溶解于 TEG 溶液中烃类气体、CO 2和水。 由于闪蒸气中含有游离的水和 CO2腐蚀就会发生，因此，推荐使用碳钢内衬 316L 不锈钢。 （8）过滤器固体过滤器和活性炭过滤器中的温度比较高、CO 2的摩尔分数较大及高含水量，腐蚀较严重。 推荐使用碳钢加不锈钢 316L 衬里或者全部 316L。 西南石油大学 化学化工学院 工程设计报告11（9）贫/富甘醇换热器在设计寿命年限较长时，为降低维护频率，推荐使用不锈钢 316L，如果建造施工允许的情况下，贫液端可以采用碳钢材质。 （10）缓冲罐在该容器中不含有任何湿的腐蚀性介质，甘醇缓冲罐内为贫甘醇，因此可以认为是无腐蚀性的。 因此，推荐使用碳钢材质加 3mm 腐蚀裕量。 但考虑到建造调试阶段存在着大气腐蚀，因此在投产前应采取有效的措施来保证内壁不受腐蚀，如添加干燥剂或刷涂防锈油等。 （11）输送管线输送富甘醇的管线，由于其降解产物如有机酸，会降低甘醇 PH 值，产生较强腐蚀环境，但对于从吸收塔到富液精馏柱换热盘管的富甘醇管线，其温度相对较低，还没达到降解温度，所以其 PH 值在安全的范围这与实际检测结果相吻合，腐蚀性不强，推荐使用碳钢材质加 3mm 腐蚀裕量；输送干气和贫甘醇的管线使用碳钢加 腐蚀裕量即可。 消耗相关设备能耗指标 水消耗表 12 脱水装置水消耗量表给水 t/h使用地点循环水 新鲜水备注P1201(Ⅱ)/A、B 1 连续 电消耗表 13 脱水装置电消耗量表电压设备台数 电机容量KW年工作时间 h使用地点操作 备用操作 备用年用电量备注P1201/AB 380 1 1 8000 连续注：未计装置照明用电及仪表用电西南石油大学 化学化工学院 工程设计报告12 蒸汽消耗表 14 脱水装置蒸汽消耗量表饱和蒸汽用量 t/h 产凝结水量 t/h使用地点蒸汽压力凝结水压力备注设备及管线伴热、加热 连续合计 三甘醇脱水的优缺点西南石油大学 化学化工学院 工程设计报告13甘醇法脱水与固体吸附法脱水时目前采用的两种天然气脱水方法。 对于甘醇脱水来讲，由于三甘醇水露点降大、成本低和运行可靠，在各种甘醇化合物中其经济效益最好，因而在国内外广为采用。 三甘醇脱水的优点：1）投资较低；2）压降较小，甘醇脱水的压降为 35~70kpa；3）为连续操作，补充甘醇较容易；4）甘醇富液再生时，脱除 1kg 水所需热量较少；5）甘醇脱水装置可将天然气中水含量降低到 ，如有贫液气提柱，利用气提再生，天然气的水含量至少降到 ；三甘醇脱水的缺点：1）天然气的露点要求低于32 186。 C 时，需要采用气提法进行再生；2）甘醇受污染或分解后具有腐蚀性。 节能 装置能耗在天然气脱水生产过程中采取有效措施保护好三甘醇，可以保证脱水装置的长期稳定运行，降低装置故障机率，节约天然气脱水的操作成本，通过现场的生产情况提出了一些保护三甘醇的有效措施，有利于延长三甘醇的使用寿命，降低天然气脱水操作成本。 三甘醇脱水属于溶剂吸收法脱水。 这种脱水系统包括分离器、吸收塔和三甘醇再生系统。 存在的主要问题是：西南石油大学 化学化工学院 工程设计报告14系统比较复杂；○ 1三甘醇溶液再生过程的能耗比较大；○ 2三甘醇溶液会损失和被污染，因此需要补充和净化；○ 3三甘醇与空气接触会发生氧化反应，生成有腐蚀性的有机酸。 ○ 4所以，三甘醇脱水的投资和运行成本比较高。 目前国内的橇装三甘醇脱水系统多从国外引进。 虽然性能比较好，但是也存在很多问题。 如一次性投资比较大；各种零配件和消耗品不易购买，而且价格昂贵； 计量标准与我国现行标准不同；测量系统不适合我国的天然气性质等。 节能措施①天然气的携带损失尽管三甘醇的蒸汽压很低，但出塔的天然气仍要带走一定量的甘醇，特别是在吸收塔背压波动范围大、气流速度过快或气量不稳定的情况下，甘醇的携带损失更大。 因此要保证吸收塔压力在设定值很小的范围内波动，在加减气量时要缓冲慢操作，升压速度不能过快，另外吸收应在设计处理范围内工作。 ②盐污染、高温降解损失天然气中携带的盐类会直接污染甘醇，而且在重沸器中，当温度升高，盐在甘醇中的溶解下降。 当甘醇中盐类含量达到 200～300mg/L 时就开始在火管上沉积，达到 600～700mg/l 时，盐的沉积速度加快，在火管上逐渐形成盐垢不但会加速设备的腐蚀而且会引起局部的温度升高导致甘醇降解，通过精馏柱出来的蒸汽有烧焦气味或甘醇的颜色变深很快可以判断火管上有盐垢产生。 增强天然气进吸收之前过滤分离器的过滤分离效果，对分离器除尘设备及时排污、清洗，及时更换失效滤芯；甘醇机械过滤器、活性碳过滤器的压差接近 100KPa 时立即对滤芯进行清洗或更换；控制好重沸器的温度，将甘醇的再生温度控制在 200186。 C 以内，波动范围在177。 3186。 C 内。 遇到临时停车队甘醇循环系统清洗，保持甘醇循环系统及重沸器火管的干净。 ③甘醇的氧化分解甘醇的 pH 值下降常伴有固体颗粒和焦质烃类的沉积，形成一。